CN1324328C - 集成钻井动力学系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一种方法和设备，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作。在一个实施例中，提供了一种集成、闭环钻探现场分析系统，用于获取和分析实时泥浆录井和底部钻具数据，并与至少一个可控操作参数的动力学临界值一起，显示一个或多个操作员可控参数的实时数值，从而使操作员能够实时地调整这些参数，以优化操作。通过将数据智能地组合为能够以信息形式显示的、有意义且可用的信息，得出集成信息。

Description

集成钻井动力学系统及其操作方法

相关申请

本申请要求2003年1月17日递交的在先临时申请序列号No.60/440,819的优先权，并将该申请的全部内容一并在此作为参考。

技术领域

本发明大体上涉及油气生产领域，更具体地，涉及油气井钻井设备。

背景技术

钻井成本是确定油气投资的金融回报的重要因素。对于海上环境，尤为如此，在海上环境下，操作成本高昂，而且在井中易于发生钻井问题。尤其是，已经表明剧烈的震动对用于钻油气井的底部钻具设备有害。其中，横向震动(尤其是后向旋转)通常与钻杆柱疲劳故障(磨损、扭断)、过度钻头磨损和钻井时测量(“MWD”)工具故障有关。横向震动由一个主要原因引起——质量不平衡，有多种来源，尤其包括钻头形成相互作用、泥浆马达和钻杆柱质量不平衡。

当其重心不与其旋转轴一致时，旋转体不平衡。由于这种弯曲或质量不平衡，在不平衡的钻杆柱旋转时，产生离心力。离心力的幅度尤其依赖于钻杆柱的质量、偏心度和旋转速度。通常，旋转速度越高，离心力越大。因此，通常的做法是在发生剧烈的横向震动时，降低旋转速度。但是，本领域普通技术人员将意识到：如果降低旋转速度导致组件的谐振条件，则不可能减小震动。当任何一个激励机构的旋转频率与底部钻具组件(“BHA”)的自然或谐振频率(弯曲、轴向或扭转)匹配(通常被称为临界旋转速度或CRPM)时，谐振条件发生。在谐振条件下，BHA具有以连续增加的幅度横向震动的趋势，导致了剧烈的震动，并导致钻杆柱和MWD故障。

本领域普通技术人员应当清楚的是，在钻井操作期间，识别和避免临界旋转速度是重要的。已经开发了大量基于有限元分析的计算机程序来预测钻杆柱的临界旋转速度。但是，由于输入数据和所规定的边界条件的不确定性，这些程序的预测精度通常是有限的。在钻井规划或在钻探平台上组装BHA时，通常运行传统的BHA动力学软件。然后，将一组要避免的预测临界CRPM提供给钻井人员。

传统方法避免CRPM的共同操作困难在于：(i)复杂的BHA建模和结果；(ii)由于不正确的输入数据而导致的不精确的建模和结果；以及(iii)未将建模结果与实时震动数据结合使用来优化钻井过程。也就是说，在现有技术中，并未以集成、闭环的方式来进行动力学分析，而只是在钻井规划阶段进行主要或全部的动力学分析，从而只有有限的机会来进行钻井操作的优化。

发明内容

考虑到前述和其他考虑，本发明涉及一种方法和设备，通过实时建模和底部钻具钻井时测量(“MWD”)数据的结合，提供BHA的精确建模。在这里，应当将描述“实时”解释为包括本质上立即发生的动作。例如，“实时数据获取”表示获取反映了操作参数的当前状态的数据。类似地，“实时数据处理”表示对获取数据的立即处理，与获取、存储数据，并稍后处理的情况相反。“实时数据处理”还区别于在实际处理之前预测数据，并随后结合处理的执行，使用对预测数据的分析的情况。作为相关概念，这里所使用的术语“动力学”应当表示其数值随时间发生变化的参数和其他变量。作为简单示例，底部钻具组件在钻井操作期间的旋转速度是动力学参数，因为在钻井操作期间，旋转速度由于多种原因而发生改变。

根据本发明，提出了一种方法，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述方法包括：(a)获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；(b)对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；(c)随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值的显示。

根据本发明，还提出了一种设备，用于执行包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述设备包括：传感器，用于获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；动态分析应用程序，用于对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；显示器，用于随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值。

根据本发明，还提出了一种系统，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述系统包括：传感器，用于获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；动态分析应用程序，用于对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；显示器，用于随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值。

根据本发明的一个方面，提出了一种系统，包括：(1)实时BHA动力学应用程序；(2)MWD底部钻具震动传感器；以及(3)集成、闭环钻探现场信息系统。在一个实施例中，所述实时动力学应用程序用于预测临界旋转速度(CRPM)。在一个实施例中，动力学分析应用程序是基于有限元的程序，用于计算BHA的自然频率。在可选实施例中，动力学分析应用程序还可以采用半解析方法，用于预测上边界条件。

根据本发明的另一方面，底部钻具震动传感器用于产生实时的底部钻具震动数据。在优选实施例中，将所述传感器设置在现有的MWD工具中，并包括三个相互正交的加速度计，用于测量加速度的三个轴X、Y和Z。X轴用于测量横向和径向加速度，Y轴用于测量横向和切向加速度，以及Z轴用于测量轴向加速度。利用三种不同的方法(平均、峰值和瞬时(突发))作为来自每个轴的传感器的信号的条件。平均测量表示在采样周期的平均加速度。峰值测量表示在采样周期发生的最高加速度，以及瞬时(突发)测量记录频率分析的高频数据。

利用三种不同的加速度和测量，可以利用适当的算法检测底部钻具动力学的多种模式(例如，钻头和BHA旋转、钻头反弹和粘滑等)。然后，将对破坏性震动模式的指示传输到表面。将显示器用于指示震动强度，并给出修正该工具所能识别出的多种模式的底部钻具震动的建议。

根据本发明的另一实施例，提出了一种集成、闭环钻探现场分析系统，用于获取泥浆录井和底部钻具数据、运行分析软件、并实时显示数据，从而使操作员能够实时地调整钻井系统的一个或多个操作参数，以优化操作。通过将数据智能地组合为能够以信息形式显示的、有意义且可用的信息，得出集成信息。

附图说明

通过在结合附图的同时、阅读以下对本发明典型实施例的详细描述，本发明的前述和其他特征和方面将得到更好的理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的集成、实时钻井动力学分析系统的功能框图；

图2是与图1所示的集成钻井动力学分析系统结合使用的钻杆柱动力学传感器的示意图；

图3是包括图1所示的钻井动力学分析系统的钻探现场信息系统的示意图；以及

图4是利用本发明的系统、在钻井操作期间实时产生的钻井动力学数据显示屏幕的图示。

具体实施方式

为了清楚起见，以下的公开并未描述实际实施方式的全部特征。应当清楚的是，在开发任何实际实施方式期间，以及在任何这种项目中，必须进行大量的工程和设计决策，以实现开发者的特定目的和子目的，而这些目的可能根据各个实施方式均有不同。此外，需要注意，针对所述环境给予适当工程和编程实践。应当清楚的是：这种研发努力可能是复杂且耗时的，但仍然是本领域普通技术人员所采用的例行程序。

参照图1，示出了根据本发明一个实施例的集成钻井动力学系统10的高级功能的方框图。如图1所示，本发明涉及与井、钻杆柱和底部钻具组件(BHA)的多种操作参数有关的多种操作数据的收集和分析。方框12表示获取多种钻杆柱数据，多数钻杆柱数据可能在整个操作的钻井规划阶段就已经知道了。图1中的方框14表示泥浆录井数据的获取，本领域普通技术人员将意识到其包括但并不局限于钻压数据、旋转速度(RPM)信息、泥浆比重数据等。方框14所表示的获取数据中的大多数是动态的，因为其在实际钻井操作期间不断地发生变化。在这些参数中，某些参数可以是被考虑为操作员可控的，因为传统的钻井设施将为钻井操作员提供用于在操作期间对其进行调整的装置。类似地，图1中的方框16表示获取钻井时测量(MWD)数据，例如，包括倾斜度、死弯严重度(DLS)、孔尺寸等。与方框14所表示的数据获取一样，方框16所表示的数据获取表示在钻井操作期间发生变化的操作参数。

对于方框14的泥浆录井数据，可以由如商用Sperry-Sun DDS^TM(钻井动力学传感器)等钻井传感器提供此实时底部钻具数据，尤其是包括震动数据。典型的DDS 20如图2所示。如本领域普通技术人员所熟悉的那样，优选地，DDS 20位于现有的MWD工具中，如伽马射线部分(Gamma ray sub)中。在一个实施例中，使用三个相互正交的加速度计来测量加速度的三个轴X、Y和Z。X轴用于测量横向和径向加速度，Y轴用于测量横向和切向加速度，以及Z轴用于测量轴向加速度。

优选地，利用三种不同的方法(平均、峰值和瞬时(突发))作为来自每个轴的加速度计的信号的条件。平均测量表示在预定采样周期的平均加速度。峰值测量表示在预定采样周期发生的最高加速度，以及瞬时(突发)测量记录频率分析的高频数据。

利用三种不同的加速度和测量，可以利用本领域普通技术人员所熟悉的适当算法检测底部钻具动力学的多种模式(例如，钻头和BHA旋转、钻头反弹和粘滑等)。然后，利用已知方法，将破坏性震动模式的指示传输到地表，可以显示这些测量的标记，以反映任意给定时刻的震动强度。另一方面，可以设想在本发明的实施过程中采用除Sperry-Sun DDS^TM传感器以外的其他传感器，包括具有多于或少于三个传感轴的传感器。得到本发明启示的本领域普通技术人员熟悉适合于检测钻杆柱和BHA的不必要动力学操作的多种替代方式。

继续参照图1，将方框12、14和16所获得的全部数据提供给实时动力学分析模块18。在优选实施例中，动力学分析模块18执行几个功能，包括用于计算上边界条件的静力学BHA分析、用于计算自然(谐振)频率和模式形状的有限元分析和用于计算临界旋转速度(CRPM)的其他方法。

在优选实施例中，根据本发明的重要方面，动力学分析软件模块实时运行，即在实际钻井操作期间，并处理由功能块12、14和16所提供的全部静力学、动力学和实时数据。来自方框14的传统泥浆录井数据包括BHA配置数据、钻压(WOB)数据、旋转速度(RPM)、泥浆比重和钻井操作的多种其他操作参数。可以从集成地表系统获得这些数据，或通过钻井承包商共同采用的第三方泥浆录井或其他数字钻探监控系统传送过来。如上所述，来自方框16的MWD数据包括倾斜度、DLS、孔尺寸等。

根据本发明的一个实施例，在如图3示意示出的集成钻探现场信息系统30上实施此系统。如图3所示，钻探现场网络32包括多个组件之间的相互连接，包括钻机42及其关联底部钻具传感器和工具43、实时分析服务器和数据库44、优选地、具有关联历史数据存储器45、以及多个工作站，例如，包括针对公司人员的工作站48、针对地质学家的工作站50、针对钻井人员的工作站52、以及用于支持第三方系统的工作站46。根据传统的实施方式，与钻探现场网络相关联的多种工作站中的一个或多个能够允许钻井操作员控制钻井操作的多种参数。作为简单、但特定且非排他的示例，优选地，钻井操作员能够在钻井操作期间实时、动态地调节或调整如BHA旋转速度等操作参数。

如本领域普通技术人员所清楚的那样，信息系统30的多个组件之间的互连的形态可以根据情况而变化，例如，包括卫星和因特网连接、射频传输等，在工业领域中普遍使用。

在一个实施例中，分析服务器44包括具有足够计算能力的处理系统，用于实现参照图1中的方框18所描述的动力学分析功能。根据本发明的重要方面，分析服务器44(或如图3所示的多种其他工作站)具有与之相关联的图形显示器，用于向钻井操作员显示由实时动力学分析模块18执行的实时动力学分析的结果的可视显示。这种功能如图1中的方框60所示。本发明的这一方案是重要的，其表示了动力学分析功能18与数据获取功能(方框12、14和16)的实时集成，从而使钻井操作员能够实时地响应分析结果，以实现最佳的钻井性能。

在图4中示出了由图1中的方框60所表示的分析数据的典型显示屏幕62。如图所示，显示62示出了与钻头的当前操作相对应的、随时间变化的操作参数(速度)的图64。此外，根据当前所公开的实施例的显示64显示了根据来自获取模块12、14和16的数据、直接或通过计算和分析而得到的多个实时操作参数，在典型实施例中，包括当前RPM 68、钻压70、孔直径72、泥浆比重74、倾斜度76、死弯角度78、BHA有效长度80和到下次实时分析更新所剩余的时间指示。当然，钻井操作员的目的是监视和调整可控参数，以便在任意给定时间使后者的数据量(距离CRPM 82的时间)最大化。

如图4所示，在旋转速度曲线图64中，示出了多个不同的轨迹。最重要的是轨迹84，实时地示出了钻头的当前旋转速度。除了当前的RPM轨迹84，还包括多个CRPM轨迹86、88、90和92。如图4所示，CRPM并非如现有技术中那样可以通过钻井规划分析得出的静态旋转速率，而是动态的变化轨迹，反映出根据对上述实际的当前钻井操作参数的实时分析而发生变化的数值。

由于图4的显示62，钻井操作员能够容易地观察到多种操作参数之间的实时关系，允许操作员进行操作调整，而使其趋向于最佳钻井操作。尽管在图4中未示出，在特定的实施例中，显示62可以与其他图形显示和轨迹一起显示，或者包括其他图形显示和轨迹，例如DDS传感器的输出轨迹，表明了BHA的平均、峰值和瞬时加速度。这有利地使操作员更为了解钻井过程的总体实时操作状态，并使其具有进行适当调整以优化钻井操作的相应能力。

构建了特定的场景来描述本发明与现有技术动态分析系统(未集成MWD和从钻井操作中实时反馈的其他操作数据)相比的效果。在一个场景中，使用具有14.5”乘17.5”双心钻头的直线泥浆马达组件，来钻探垂直截面，并未使用本发明的闭环、集成方法。在这种情况下，所收集到的DDS传感器震动数据并未表现出大幅度的震动。平均横向震动可能指示相对较低到中等强度，并且轴向震动可能非常低。除了这些良性的指示之外，震动频率可能与马达钻子速度匹配，表明马达震动可能是导致泥浆马达解体的原因；但是，大部分震动能量可能被马达本身所吸收，从而躲过了MWD工具处的震动传感器的检测。

另一方面，可以构建可选的场景，其中在实施了本发明的集成、闭环系统的情况下，进行类似的钻井操作。在这种情况下，可以观察到CPRM和逐渐增加的横向震动之间的相关性，从而使钻井操作员能够安全地避免高强度震动的临界条件。利用如图4所示的显示，操作员能够避免对可能导致部件故障的CRPM的靠近，同时不必简单地立即停止钻探。代替地，操作员可以根据本发明的优点进行选择，增加旋转速度，以避免靠近CRPM，而去除谐振激励，从而停止震动，并避免了钻井操作的停止。

前述公开证明了本发明的大量有利特征。首先，意识到已经表明了谐振主要是由BHA和钻探旋转引起的，本发明考虑到钻头速度预测和BHA和钻头旋转的开端之间的良好相关性，并且对这种效应的指示的实时作用能够极大地降低不利操作效果的可能性。其次，已经表明，高频突发分析的频率分析对于识别震动机制和支持建模精度都是有效的，而在现有技术的系统中，并不存在得出这种识别的有效机制。作为本发明的基本特征，现有技术并未意识到钻井操作的实时建模与钻井规划(预运行)建模相比的优点。作为特定示例，由于扩大的孔而导致的BHA不稳定性，尽管已经知道是BHA和钻头旋转的重要因素，现有技术并未提出能够按照本发明所提出的方式来避免临界RPM。

总之，根据本发明将实时建模和实时底部钻具震动数据组合在集成系统中对于识别震动机制、从而以迄今为止并未达到的程度来避免有害震动是有效的。

通过以上对本发明的一个或多个特定实施方式的描述，应当清楚的是，已经公开了一种用于分布集成、实时钻井动力学分析和控制的系统和方法，提供了根据本发明的主要优点。尽管这里已经讨论了较多实施细节，但并不应当将其看作对由所附权利要求所限定的本发明的范围的限制。无论在这里是否提及，可以对所公开的实施例进行多种针对实施的变化和改变，而并不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1、一种方法，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述方法包括：

(a)获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；

(b)对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；

(c)随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值的显示。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：

(d)向所述钻井操作的操作员提供用于调整所述操作员可调整操作参数的数值以避免所述临界值的装置。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述操作员可调整操作参数包括所述底部钻具组件的旋转速度。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于与至少一个操作参数有关的所述实时传感器数据包括但不限于震动数据。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述震动数据包括横向震动数据。

6、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述至少一个临界值包括所述底部钻具组件和钻杆柱的谐振频率。

7、一种设备，用于执行包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述设备包括：

传感器，用于获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；

动态分析应用程序，用于对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；

显示器，用于随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值。

8、根据权利要求7所述的设备，其特征在于还包括：

装置，所述钻井操作的操作员用于调整所述操作员可调整操作参数的数值以避免所述临界值。

9、根据权利要求8所述的设备，其特征在于所述操作员可调整操作参数包括所述底部钻具组件的旋转速度。

10、根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述实时传感器包括震动传感器。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于所述震动传感器检测三个正交轴上的震动。

12、根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述至少一个临界值包括所述底部钻具组件和钻杆柱的谐振频率。

13、一种系统，用于控制包括由钻杆柱承载的底部钻具组件的旋转在内的钻井操作，所述系统包括：

传感器，用于获得与所述底部钻具组件的至少一个动力学操作参数有关的实时传感器数据；

动态分析应用程序，用于对所述传感器数据进行实时分析，以计算所述底部钻具组件的操作员可调整操作参数的至少一个动力学临界值；

显示器，用于随时间的变化，与所述操作员可调整操作参数的所述至少一个动力学临界值的实时数值一起，向操作员显示所述操作员可调整操作参数的实时数值。

14、根据权利要求13所述的系统，其特征在于还包括：

装置，所述钻井操作的操作员用于调整所述操作员可调整操作参数的数值以避免所述临界值。

15、根据权利要求14所述的系统，其特征在于所述操作员可调整操作参数包括所述底部钻具组件的旋转速度。

16、根据权利要求13所述的系统，其特征在于所述实时传感器包括震动传感器。

17、根据权利要求16所述的系统，其特征在于所述震动传感器检测三个正交轴上的震动。

18、根据权利要求15所述的系统，其特征在于所述至少一个临界值包括所述底部钻具组件和钻杆柱的谐振频率。

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